CN116746166A - 低频自动校准音响系统 - Google Patents

Abstract

音频系统设有在房间内投射声音的至少两个低频换能器和带有至少两个传声器以在第一收听位置从多个方向接收声音的便携式装置。微控制器被编程为响应于用户输入提供校准命令，并提供指示传声器阵列接收到的声音的测量信号。处理器被编程为响应于接收到校准命令提供测试信号，其中每个低频换能器适于响应于测试信号生成测试声音。处理器还被编程为：处理测量信号以预测与第一收听位置相邻的第二收听位置处的声音响应，以及调整与每个低频换能器相关联的声音设置以优化第一和第二收听位置处的声音。

Description

低频自动校准音响系统

技术领域

本公开涉及用于自动校准音响系统的系统和方法。

背景技术

音响系统通常包括将电信号变换为声信号的扬声器。扬声器可以包括一个或多个换能器，这些换能器产生一系列声信号，诸如高频、中频和低频信号。一种类型的扬声器是超低音扬声器，其可包括低频换能器以产生低频信号。

音响系统可以在各种收听环境中产生声信号，诸如家庭收听室、家庭影院、电影院、音乐厅、车辆内部、录音室等。收听环境包括供一个人或多个人收听由扬声器产生的声信号的多个收听位置，例如家庭收听室内长沙发的不同部分。

收听环境可能会影响声信号，包括收听位置处的低频、中频和/或高频信号。根据收听者在房间中所处的位置，不同音调的声音响度可能会有所不同。这对于家中小房间的低频尤其如此，因为特定音调或频率的响度(通过振幅测量)可能会人为地增加或减少。低频对于欣赏音乐、电影和大多数其他形式的音频娱乐来说可能很重要。在家庭影院示例中，房间边界(包括墙壁、窗帘、家具、装饰等)可能会影响声信号，因为它们从扬声器传播到收听位置。

可以测量在收听位置处接收到的声信号。声信号的一种测量是传递函数，其可以测量声信号的各方面，包括单个频率、离散数量的频率或频率范围的振幅和/或相位。传递函数可以测量各种范围内的频率。传递函数的振幅与声音的响度有关。通常，单个频率或频率范围的振幅以分贝(dB)为单位进行测量。振幅偏差可以表示为相对于指定目标值的正分贝值或负分贝值。当在一个以上的频率下考虑振幅偏差时，目标曲线可以是平坦的或任何形状的。相对振幅响应是在一个或多个频率处与这些频率处的目标值的振幅偏差的测量。在收听位置测得的振幅值与目标值越接近，振幅响应越好。与目标的偏差反映了声信号与房间边界相互作用时其发生的变化。波峰表示与目标的振幅偏差增加，而波谷表示与目标的振幅偏差减小。

振幅响应的这些偏差可能取决于在超低音扬声器处再现的声信号的频率、超低音扬声器的位置和收听者的位置。收听者可能听不到低频，因为它们原本被记录在录音媒体(如声带或电影)上，但是它们被房间边界扭曲了。因此，房间可能会改变超低音扬声器再现的声信号，并对音响系统的频率响应性能(包括低频性能)产生不利影响。

许多技术试图减少或消除单个收听位置的振幅偏差。附加技术试图减少或消除多个收听位置的振幅偏差，例如转让给Harman International Industries Inc.的授予Devantier等人的美国专利第7,526,093号公开了一种用于使用声场测量方法配置音频系统的系统，该方法包括从每个超低音扬声器位置和每个收听位置进行声音测量。消除多个不同收听位置的振幅偏差更加困难，并且通常依赖于在房间的不同位置使用多个声源。

发明内容

在一个实施方案中，音频系统设有在房间内投射声音的至少两个低频换能器和便携式装置。便携式装置包括传声器阵列，该传声器阵列包括至少两个传声器以在第一收听位置从多个方向接收声音。微控制器被编程为响应于用户输入提供校准命令，并提供指示传声器阵列接收到的声音的测量信号。处理器被编程为响应于接收到校准命令向每个低频换能器提供测试信号，其中每个低频换能器适于响应于测试信号生成测试声音。处理器还被编程为：处理测量信号以预测与第一收听位置相邻的第二收听位置处的声音响应，以及调整与每个低频换能器相关联的声音设置以优化第一收听位置处和第二收听位置处的声音。

在另一个实施方案中，音频系统设有至少两个低频换能器，其中至少两个低频换能器中的每一个都适于响应于接收到音频信号而在房间内投射声音。控制器被配置为：响应于接收到校准命令向每个低频换能器提供测试音频信号；处理测量信号，该测量信号指示由至少两个传声器在房间内的第一收听位置处测量的声音，以预测与第一收听位置相邻的第二收听位置处的声音响应；以及调整与至少两个低频换能器中的每一个相关联的声音设置以优化第一收听位置处和第二收听位置处的声音。

在又一个实施方案中，音频系统设有至少两个低频换能器、便携式装置和控制器。至少两个低频换能器中的每一个都适于响应于接收到音频信号在房间内投射声音。便携式装置包括用于测量来自多个方向的第一收听位置处的声音的至少两个传声器和微控制器，该微控制器被编程为响应于用户输入提供校准命令，并提供指示由至少两个传声器测量的声音的测量信号。控制器被配置为：响应于接收到校准命令向至少两个低频换能器中的每一个提供指示预定声音扫描的第一音频信号，处理测量信号以预测与第一收听位置相邻的第二收听位置处的声音响应，调整与至少两个低频换能器中的每一个相关联的声音设置以优化第一收听位置处和第二收听位置处的声音。控制器还被配置为接收音乐信号，并且向至少两个低频换能器中的每一个提供指示音乐信号的第二音频信号和调整后的声音设置。

附图说明

图1是根据一个或多个实施方案的包括便携式测量装置的音频系统的顶视图。

图2是图1的音频系统的系统图。

图3是图示了由图1的音频系统的一个扬声器产生的三个轴向模式的图，用相对于扬声器的三个收听者位置进行图示。

图4A是图示了由音频系统的一个扬声器产生的并且在房间内的两个收听位置测量的声音的幅值响应的曲线图，两个收听位置之间的幅值响应没有变化。

图4B是图示了由音频系统的一个扬声器产生的并且在房间内的两个收听位置测量的经均衡声音的幅值响应的曲线图，两个收听位置之间的幅值响应没有变化。

图5A是图示了由音频系统的一个扬声器产生的并且在房间内的两个收听位置测量的声音的幅值响应的曲线图，两个收听位置之间的幅值响应有变化。

图5B是图示了由音频系统的一个扬声器产生的并且在房间内的两个收听位置测量的经均衡声音的幅值响应的曲线图，两个收听位置之间的幅值响应有变化。

图6是图示了由图1的音频系统的两个扬声器产生的三个轴向模式的图，用相对于扬声器的三个收听者位置进行图示。

图7是图示了房间中多超低音扬声器多接收者场景的图

图8是图示了用于自动校准图1的音频系统的方法的流程图。

图9是图示了图1的音频系统的图，包括一阶传声器阵列，执行图8的方法的部分。

图10是图示了声音从全部方向到达收听位置的图。

图11是图示了将图10的复声场简化为其正交分量的图。

图12是图示了图11的声音分量的外推以预测在新收听位置处的响应的图。

图13是图示了二阶传声器阵列的图。

图14是由图13的二阶传声器阵列测量的声音的极坐标图的曲线图。

图15是图示了图14的极坐标图的三维模型的图。

图16是图示了将图14的复声场简化为其正交分量的图。

图17是图示了图1的音频系统生成的声音的幅值响应的曲线图。

图17A是图17的曲线图的一部分的放大图。

图18是图示了由图1的音频系统生成的经预测声音的相位响应的曲线图。

具体实施方式

根据需要，本文公开了本公开的详细实施方案；然而，应理解，所公开的实施方案仅是可体现为各种和可选形式的本公开的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅被解释为代表性基础。

参考图1，音频系统根据一个或多个实施方案被图示并且总体上由数字100标记。音频系统100被描绘在家庭收听环境中，诸如房间102。音频系统100包括扬声器，诸如条形音箱104，其包括一个或多个高频换能器、中频换能器和低频换能器(例如，超低音扬声器)。音频系统100还包括控制器106和便携式测量装置108。音频系统100还可以包括安装在房间102的单独位置的附加扬声器，诸如外部超低音扬声器110。用户112被示为在第一收听位置114，例如沙发的中央座位上，手持便携式测量装置108。与用户112相邻的是两个附加的收听者，一个收听者坐在用户112左边的第二收听位置116，而另一个收听者坐在用户112右边的第三收听位置118。响应于激活便携式测量装置108在第一收听位置114进行声音测量的来自用户112的“一次点击”或命令，音频系统100自动校准由条形音箱104和外部超低音扬声器110投射到房间102的多个位置(例如，第一、第二和第三收听位置114、116、118)的声音。

参照图2，条形音箱104包括控制器106，该控制器包括处理器120，诸如数字信号处理器(DSP)，和存储器(未示出)。根据一个或多个实施方案，条形音箱104包括高频(HF)换能器122、中频换能器123和低频换能器或超低音扬声器124。在一个或多个实施方案中，超低音扬声器124提供大约0-120Hz之间的声音，中频换能器123提供大约120Hz-2kHz之间的声音，而高频(HF)换能器122提供大约2kHz-20kHz之间的声音。条形音箱104还包括收发器126，例如低功率射频(RF)收发器，其连接到控制器106以用于与其他装置无线通信。处理器120从诸如电视、媒体播放器等的音频源127接收音频信号，并将音频信号分离到用于每个条形音箱换能器122、123和124以及任何附加换能器(例如外部超低音扬声器110的LF换能器144)的通道。

便携式测量装置108包括支撑在小外壳130(例如，手持遥控器)中的传声器阵列128。根据一个实施方案，传声器阵列128是一阶阵列，包括两个传声器：左传声器132和右传声器134。左和右传声器132、134彼此相对靠近地封装，例如相隔大约10cm，并且布置在相反的方向，例如左和右，以提供定向传感器。每个传声器132、134可以是全向传声器，诸如Knowles的MM20-33366-B116传声器。在另一个实施方案中，传声器阵列128是二阶阵列，包括三个全向传声器：左传声器132、右传声器134和位于左传声器132和右传声器134中间的中央传声器136。音频系统100的其他实施方案包括传声器阵列128，其具有不同传声器的组合，例如一个或多个声学心形传声器和一个或多个全向传声器，以形成具有向左和向右波瓣并且可选地向前和向后波瓣的二阶或更高阶阵列。

便携式测量装置108包括微控制器138和收发器140，例如低功率射频(RF)收发器。收发器140连接到微控制器138以用于与诸如条形音箱104的其他装置无线通信。便携式测量装置108还包括外部可访问按钮142，其与微控制器138通信以启动音频系统100的自动校准序列。在一个或多个实施方案中，便携式测量装置108的一些或全部功能可由智能手机或平板电脑提供。例如，智能手机可以包括处理器、收发器和触摸屏(按钮)，类似微控制器138、收发器140和按钮142。

外部超低音扬声器110包括一个或多个低频换能器144和超低音扬声器控制器146。外部超低音扬声器110还包括收发器148，例如低功率射频(RF)收发器。收发器148连接到超低音扬声器控制器146，用于与其他装置无线通信，诸如条形音箱104和便携式测量装置108。在其他实施方案中，外部超低音扬声器110通过有线通信与条形音箱104通信。

控制器106包括用于控制校准序列的测量模块150。根据一个或多个实施方案，控制器106还包括用于调整每个音频通道或换能器的参数的优化模块152，这样的参数包括单独的通道延迟、增益、极性、滤波器等。

尽管控制器106、微控制器138和超低音扬声器控制器146被分别示为单个控制器，但是每个都可以包含多个控制器，或者可以体现为一个或多个其他控制器内的软件代码。控制器106、138、146通常包括任意数量的微处理器、ASIC、IC、存储器(例如，FLASH、ROM、RAM、EPROM和/或EEPROM)和软件代码以相互协作来执行一系列操作。这样的硬件和/或软件可以在模块中分组在一起以执行某些功能。本文中描述的控制器或装置中的任一者或多者包括可从使用多种编程语言和/或技术创建的计算机程序编译或解译的计算机可执行指令。通常，处理器(诸如微处理器)例如从存储器、计算机可读介质等接收指令，并执行这些指令。处理单元包括能够执行软件程序的指令的非暂时性计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是但不限于电子存储装置、磁性存储装置、光学存储装置、电磁存储装置、半导体存储装置、或它们的任何合适的组合。根据一个或多个实施方案，控制器106、138、146还包括存储在存储器内的预定数据或“查找表”。

参考图3，超低音扬声器和收听者在小房间中的放置以及房间的大小和形状影响产生的低频响应。图3图示了驻波在房间102中可能的样子，条形音箱104在一端。条形音箱104的超低音扬声器124产生低频声音，并且最低频率驻声波中的三个被描绘为第一模式320、第二模式322和第三模式324，其中每个模式对应于不同的频率，例如30Hz、60Hz和90Hz分别用于一组轴向模式。图3代表了房间102的单一维度在瞬间的三种轴向模式。声压最大值存在于房间边界处(即，图2中房间102的两端)。声压降至其最小值的点通常称为“零点(null)”。如果没有模式阻尼，则零点处的声压降为零。然而，在大多数真实房间中，零点处的响应波谷约为-20dB范围。

驻波在整个房间的不同位置可能有波峰和波谷，因此可能会根据收听者所处的位置出现大的振幅偏差。因此，由于用户112对于第一模式320和第三模式324均处于零点，因此由超低音扬声器124在这些频率下产生的声音将听起来比其应有的柔和得多。相反，由于用户112对于第二模式322处于波峰，因此超低音扬声器124在该频率下产生的声音将听起来比其应有的响得多。第二收听位置116和第三收听位置118处的收听者对于任何模式都没有位于零点，因此他们将听到所有三种模式并且具有更愉快和准确的收听体验。

参考图4A-图4B，解决图3中单个超低音扬声器场景的驻波问题的一种方法是均衡化频率响应。图4A是根据一个实施方案的具有三条曲线404、406、408的曲线图400，表示由房间内的单个超低音扬声器(例如，图3的房间102内的超低音扬声器124)生成的声音测量的频率响应。第一曲线404表示在第一收听位置114处测量的声音的频率响应。第二曲线406表示在第二收听位置116处测量的声音的频率响应。第三曲线408表示第一曲线404和第二曲线406的空间平均。如图4A所示，第一曲线404和第二曲线406在不同频率下一起上升和下降，因此收听位置之间几乎没有变化，或者座位与座位之间几乎没有变化，并且可以通过对提供给每个换能器的信号的参数应用均衡滤波器来将频率响应均衡到所需的目标。

图4B是曲线图410，包括表示在第一收听位置测量的声音的经均衡频率响应的第一曲线414、表示在第二收听位置测量的声音的经均衡频率响应的第二曲线416、以及图示了第一曲线414和第二曲线416的空间平均的第三曲线418。第一曲线414、第二曲线416和第三曲线418都大致彼此平行，这表明如果收听位置之间没有变化(如图4A所示)，则可以通过均衡提供给超低音扬声器124的声音信号来改善针对两个收听位置的频率响应。

参考图5A-图5B，图4A-图4B的简单均衡方法在座位与座位之间存在变化时无效。图5A是根据另一个实施方案的具有第一曲线504、第二曲线506和第三曲线508的曲线图500，表示由房间内的单个超低音扬声器(例如，图3的房间102内的超低音扬声器124)生成的声音测量的频率响应。第一曲线504表示在第一收听位置114处测量的声音的频率响应。第二曲线506表示在第二收听位置116处测量的声音的频率响应。第三曲线508表示第一曲线504和第二曲线506的空间平均。空间平均曲线508通常等于图4A的空间平均曲线408。如图5A中所示，第一曲线504和第二曲线506在频率范围内不一起上升和下降，因此收听位置之间存在变化。

图5B是曲线图510，包括表示在第一收听位置114测量的声音的经均衡频率响应的第一曲线514、表示在第二收听位置116测量的声音的经均衡频率响应的第二曲线516、以及图示了第一曲线514和第二曲线516的空间平均的第三曲线518。虽然空间平均曲线408、508通常彼此相等，但经均衡曲线514和516彼此不同，这表明如果收听位置之间存在变化(如图5A所示)，则此类均衡方法无效。收听位置之间的频率响应存在变化意味着使用简单的均衡器将声音固定在一个位置可能会对另一个位置的声音产生不利影响。

参考图6，解决收听位置之间音质差异的另一种方法是在不同位置使用多个超低音扬声器，因为房间102中不同位置的超低音扬声器可以部分抵消某些驻波。图6图示了房间102，其中条形音箱104的超低音扬声器124和外部超低音扬声器110从不同位置产生低频模式，这在第一收听位置114抵消了三种模式中的两种，即第一模式620和第三模式624，但不是第二模式622。然而，这种方法需要附加的扬声器，例如外部超低音扬声器110，并且在与第二和第三收听位置116、118相邻的房间102中仍然存在零点。

图7是图示了房间中多超低音扬声器多接收者场景的示例的图。标记I是音频系统100的输入音频信号。从条形音箱104的超低音扬声器124(扬声器1)和外部超低音扬声器110(扬声器2)到房间102中的两个接收者位置(例如，第一收听位置114和第二收听位置116)的扬声器/房间传递函数由H₁₁、H₁₂、H₂₁和H₂₂表示，而R₁和R₂表示在接收者(收听)位置处得到的传递函数。每个源都有一个到每个接收者的传输路径，在这个示例中产生了四个传递函数。假设发送到每个扬声器的信号可以被电气修改，由M₁和M₂表示，可以添加修改后的信号。这里，M是一个复杂的修饰符，可能与频率有关，或可能与频率无关。为了说明数学解的复杂性，以下方程求解频域中的线性时不变系统：

R₁(f)＝IH₁₁(f)M₁(f)+IH₂₁(f)M₂(f)

R₂(f)＝IH₁₂(f)M₁(f) + IH₂₂(f)M₂(f) (1)

其中所有传递函数和修饰符都被理解为复杂的。这被认为是一组联立线性方程组，且可以更紧凑地表示为矩阵形式：

或者简单地说，

HM＝R, (3)

其中输入I被假定为一。

优化的典型目标是使R等一，即所有接收者的信号彼此相同。R可被视为目标函数，其中R₁和R₂均等于1。对M(音频系统的修饰符)求解方程(3)，M＝H^-1，是H的倒数。由于H是频率相关的，因此M的解是在每个频率下计算的。然而，H中的值可能使得倒数可能难以计算或实施起来不切实际(诸如某些扬声器在某些频率下的不切实际的高增益)。

由于确定精确的数学解并不总是可行的，因此先前的方法试图确定可计算的最佳解，诸如具有最小误差的解。误差函数定义任何特定配置与所需解的接近程度，最低误差代表最佳解。然而，这种数学方法需要大量的计算能量，而且只能求解双参数解。检查更多数量的参数的声学问题越来越难以解决。一些音频系统已经尝试通过分析在收听室内的许多不同位置处进行的声音测量来解决该问题，然而这种方法对于家庭收听环境中的终端用户来说可能是困难的。

参考图8，并返回参考图2，图示了根据一个或多个实施方案的一种用于自动校准音频系统100的方法，并且其通常由数字800表示。根据一个或多个实施方案，方法800使用包含在控制器106内的软件代码来实施。虽然该方法是使用以多个顺序步骤示出的流程图来描述的，但是在一个或多个其他实施方案中可以省略和/或以另一种方式执行一个或多个步骤。在其他实施方案中，软件代码分布在多个控制器之间，例如控制器106和微控制器138。

在步骤802，用户112在坐在第一收听位置114处时通过按下便携式测量装置108上的按钮142来初始化校准序列。在其他实施方案中，可以响应于语音命令或通过使用智能手机或平板电脑发信号来初始化校准过程。便携式测量装置108的微控制器138生成初始化命令(CAL)并通过收发器140将初始化命令发送到条形音箱104。

在步骤804，控制器106通过收发器126接收初始化命令，并且处理器120激活测量模块150以向超低音扬声器124提供声音扫描信号以作为声音发射。在一个实施方案中，声音扫描对应于振幅从-60dB到60dB变化并且频率从0到150Hz变化的声音。在步骤806，便携式测量装置108的传声器阵列128测量第一收听位置114处的声音扫描并将扫描数据(MIC)传输到条形音箱104。

在步骤808，控制器106处理扫描数据以预测在其他收听位置(例如第二收听位置116和第三收听位置118)处的响应。处理器120可以向优化模块152提供预测的响应，该优化模块使用优化算法来进一步处理数据，诸如授予Devantier等人的美国专利第7,526,093号中描述的声场管理算法，其通过引用整体并入本文。在一个或多个实施方案中，控制器106可以采用其他技术或算法来增加信噪比，诸如进行多次扫描并重复步骤804-808，或者对背景噪声进行采样并调整刺激以将更多能量投入到有更多噪音的频率。然后在步骤810，控制器106基于预测的响应调整声音设置，例如每个单独通道的参数，包括时间延迟、增益、极性和滤波器系数。

图9图示了音频系统100的实施方案，包括一阶传声器阵列，执行自动校准方法800。参考图9，并且返回参考图1，根据一个或多个实施方案，传声器阵列128是包括左传声器132和右传声器134的一阶阵列。音频系统100提供的声音从房间102内的表面反射，类似于由位于房间外对应位置的多个虚拟声源提供的声音。房间102中第一收听位置114处的声学响应与没有房间和这种虚拟源云的情况下发生的情况相同。当用户112从第一收听位置114移动到第二收听位置116时，用户112更靠近直接在左边的虚拟图像大约一米，即沙发上相邻垫子的中心之间的距离，并且距离直接在右边的虚拟图像一米远。对于直接在用户前面或后面的虚拟源，距离变化很小或没有变化。对于任何其他方向的虚拟源，到虚拟源的距离会有中间差异。

图9图示了可如何在步骤806使用定向传声器132、134测量左到达和右到达的声音，并在步骤808通过基于收听位置之间的估计距离移位脉冲响应来处理，然后重新组合。在步骤806，便携式测量装置108使用一阶传声器阵列128测量声音扫描。传声器阵列128被配置为定向传声器，其中左传声器132和右传声器134沿轴线A-A在相反的方向上以紧密的间隔布置，例如相隔约10cm。图9包括表示由左传声器132测量的声音的左极坐标图902和表示由右传声器134测量的声音的右极坐标图904。左传声器132和右传声器134在所示实施方案中是心形传声器，其衰减从离轴方向到达的声音。

在步骤808，条形音箱104的控制器106处理声音扫描数据。处理器120包括用于每个传声器132、134的准确信号延迟元件和增益元件。处理器120将在传声器阵列128的每个传声器132、134处接收到的声音分解为左到达分量和右到达分量，如左反射图908和右反射图910所描绘。直接从条形音箱104接收到的声音将被传声器阵列128的前瓣和后瓣(未示出)接收，并且时间上不会移位。

测量模块150可以预测在不同收听位置(例如，第二收听位置116和第三收听位置118)处出现的声音，方法是通过根据如下所示的方程4和5移位与在左传声器132处测量的声音(Δt_L)和在右传声器134处测量的声音(Δt_R)相关联的时间延迟而在步骤810调整声音设置：

Δt_L ＝ +/- d/c (4)

Δt_R ＝ -/+ d/c (5)

其中(d)表示收听位置之间的距离，例如一米，(c)表示声音的速度，(-)用于预测与传声器方向相同的位置(例如，在左传声器132的左侧的位置)的声音，并且(+)用于预测在与传声器相反方向的位置(例如，在左传声器132右侧的位置)的声音。例如，音频系统100通过从左传声器132测量的每个脉冲中减去d/c，如数字916所指，并将d/c加到右传声器134测量的每个脉冲，如数字918所指，来预测第二收听位置116(被定向到第一收听位置114的左侧)处的声音。音频系统100然后重新组合经移位信号，其由简化的反射图表示，一般由数字920表示。

图10-图16图示了由包括二阶传声器阵列的音频系统100的实施方案执行的自动校准方法800的部分。根据一个或多个实施方案，传声器阵列128是包括左传声器132、右传声器134和中央传声器136的二阶阵列。图10-图12图示了用于通过分解复杂的声场并随后外推声音以预测在新位置处的响应来自动校准音频系统的方法800(如参考图8所述)背后的基本理论。

参考图10，在空间中的任何点，例如在第一收听位置114，声音从所有方向到达，如会聚箭头所描绘。参考图11，音频系统100利用二阶传声器阵列128将图10的复杂声场简化为其正交分量：左声音分量1102、右声音分量1104、前向声音分量1106、和后向声音分量1108。然后参考图12，音频系统100随后通过向分量添加延迟并对分量求和来外推声音以预测在新位置处的响应。

图13-图15图示了音频系统100如何使用阵列方向性来分离出左、右和前向/后向方向的方向分量。图13图示了二阶传声器阵列128，包括：左传声器132、右传声器134和中央传声器136。

图14图示了每个传声器测量的声音的重叠极坐标图。极坐标图包括：表示由左传声器132测量的声音的左极坐标图1402，表示由右传声器134测量的声音的右极坐标图1404，以及表示由中央传声器136测量的声音的中间极坐标图1406。左传声器132和右传声器134根据所示实施方案是心形传声器，其衰减离轴到达的声音。然而，中央传声器136是全向传声器，其测量所有方向的声音。中间极坐标图1406是通过从中央传声器136生成的声音数据中减去左传声器132和右传声器134测量的声音数据生成的。音频系统100执行该减法，使得来自传声器132、134、136的组合方向性数据总和为零。

图15图示了极坐标图的三维(3D)图。3D图包括表示左极坐标图1402的左心形元素1512、表示右极坐标图1404的右心形元素1514和表示中间极坐标图1406的中间元素1516。

参考图16，音频系统100在步骤808通过将图13-图15的复杂声场简化为其以下正交分量来处理扫描数据：左声音分量1602、右声音分量1604、前向声音分量1606、和后向声音分量1608。然后，音频系统100随后通过向分量添加延迟并对分量求和来外推声音分量1602、1604、1606、1608以预测新位置处的响应

图17-图18图示了在执行自动校准方法800时具有一阶传声器阵列的音频系统100与具有二阶传声器阵列的音频系统100的性能比较。图17是包括说明音频系统100的幅值响应的四条曲线1702、1704、1706和1708的曲线图1700，而图17A是在-20dB和20dB之间以及50Hz和150Hz之间的曲线图1700的放大图。

第一曲线1702表示在第一收听位置114处出现的实际声音。第二曲线1704表示音频系统100基于从包括左传声器132和右传声器134的一阶传声器阵列获取的传感器数据在第二收听位置116处预测的声音，如上文参考图9所述。第三曲线1706表示音频系统100基于从包括左传声器132、右传声器134和中央传声器136的二阶传声器阵列获取的传感器数据在第二收听位置116处预测的声音，如上文参考图10-图16所述。第四曲线1708表示在第二收听位置处出现的实际声音。

第二曲线1704(一阶阵列)和第三曲线1706(二阶阵列)与第四曲线1708的比较说明二阶阵列的性能比一阶阵列更高。例如，在85Hz，二阶曲线1706与实际声音曲线1708相差大约2dB，而一阶曲线1704与实际声音曲线相差大约12dB。类似地，在110Hz，二阶曲线1706与实际声音曲线1708相差大约4dB，而一阶曲线1704与实际声音曲线相差大约14dB。在这两个位置，二阶阵列比一阶阵列提供了大约10dB的改进。

如图13中的数字1710所示，幅值响应在低频(例如低于25Hz)处下降。这种下降取决于传声器的间距，因为它们区分具有大波长的声音的能力取决于它们本身是否有足够的间距。音频系统100包括用于一阶系统的每倍频程6dB校正和用于二阶系统的12dB以补偿下降。

图18是包括说明音频系统100的相位响应的两条曲线1802和1804的曲线图1800。第一曲线1802表示第二收听位置116处的实际声音与音频系统100使用一阶传声器阵列在第二收听位置116处预测的声音之间的差。第二曲线1804表示第二收听位置116处的实际声音与音频系统100使用二阶传声器阵列在第二收听位置116处预测的声音之间的差。第一曲线1802在0至150Hz的频率范围内显着变化。例如，第一曲线在85Hz时大约等于200度，和在110Hz时大约等于-200度。而第二曲线1804在整个频率范围内近似等于零，这表明二阶系统的相位响应比一阶系统好得多。

自动校准方法800可以被扩展以允许通过使用具有传声器的3D布置的三阶传声器阵列(即，四个传声器)在除左/右之外的方向上进行类似的声音预测。3D布置可以预测收听位置附近任何地方的响应，包括向上和向下，以适应在不同竖直位置具有座位的房间102，例如体育场座位。尽管方法800被描述为时域方法，但是可以在频域中执行相同的计算。

方法800不基于广泛的预定数据对声学环境做出任何假设，也不依赖于复杂的房间建模或机器学习方法等。相反，方法800利用由传声器阵列128测量的房间中的声场。因此，音频系统100不需要大量安装，例如许多初始测量，这允许用户112校准系统。

虽然上文描述了示例性实施方案，但这些实施方案不旨在描述本公开的所有可能形式。相反，本说明书中使用的词语是描述词语，而不是限制词语，并且应理解在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出各种变化。另外，可以对各种实施的实施方案的特征进行组合以形成进一步的实施方案。

Claims (20)

1.一种音频系统，所述音频系统包括：

在房间内投射声音的至少两个低频换能器；

便携式装置，其包括：

传声器阵列，包括至少两个传声器以在第一收听位置处从多个方向接收由所述至少两个低频换能器中的每一个生成的声音，和

微控制器，其被编程为响应于用户输入提供校准命令，并提供指示所述传声器阵列接收到的所述声音的测量信号；和

处理器，其被编程为：

响应于接收到所述校准命令提供测试信号，其中所述至少两个低频换能器中的每一个适于响应于所述测试信号生成测试声音，

处理所述测量信号以预测在与所述第一收听位置相邻的第二收听位置处的声音响应，以及

调整与所述至少两个低频换能器中的每一个相关联的声音设置以优化所述第一收听位置和所述第二收听位置处的声音。

2.根据权利要求1所述的音频系统，其中所述至少两个低频换能器中的每一个都适于响应于所述测试信号生成低于120赫兹的测试声音。

3.根据权利要求1所述的音频系统，其中所述至少两个传声器还包括：

第一传声器，其设置在轴上并沿第一方向布置以接收传入声音并衰减离轴传入声音；和

第二传声器，其设置在所述轴上并沿与所述第一方向相反的第二方向布置，以接收传入声音并衰减离轴传入声音。

4.根据权利要求3所述的音频系统，其中所述处理器还被编程为处理所述测量信号以通过基于所述第一收听位置和所述第二收听位置之间的距离来移位与在所述第一传声器和所述第二传声器中的每一个处接收到的所述声音相关联的时间延迟来预测在与所述第一收听位置相邻的所述第二收听位置处的所述声音响应。

5.根据权利要求3所述的音频系统，其中所述传声器阵列还包括第三传声器，所述第三传声器设置在所述轴上在所述第一传声器和所述第二传声器之间以从多个方向接收声音。

6.根据权利要求5所述的音频系统，其中所述便携式装置的所述微控制器还被编程为：

基于所述第一和第二传声器接收到的所述声音与所述第三传声器接收到的所述声音之间的差来确定组合声音方向性；以及

基于所述组合声音方向性提供所述测量信号。

7.根据权利要求1所述的音频系统，其中所述处理器还被编程为：

将所述测量信号分离成正交分量；以及

将所述正交分量外推到所述第二收听位置。

8.根据权利要求1所述的音频系统，其中所述测试信号指示预定的声音扫描。

9.根据权利要求1所述的音频系统，其中所述处理器还被编程为向所述至少两个低频换能器中的每一个提供指示音乐信号的音频信号和调整后的声音设置。

10.根据权利要求1所述的音频系统，其中所述便携式装置还包括外部可访问按钮，并且其中所述便携式装置的所述微控制器还被编程为响应于用户按下所述外部可访问按钮而提供所述校准命令。

11.一种音频系统，所述音频系统包括：

至少两个低频换能器，其中所述至少两个低频换能器中的每一个都适于响应于接收到音频信号而在房间内投射声音；和

控制器，所述控制器被配置成：

响应于接收到校准命令向所述至少两个低频换能器中的每一个提供测试信号；

处理指示由至少两个传声器在所述房间内的第一收听位置处接收到的所述声音的测量信号，以预测与所述第一收听位置相邻的第二收听位置处的声音响应；以及

调整与所述至少两个低频换能器中的每一个相关联的声音设置以优化所述第一收听位置和所述第二收听位置处的声音。

12.根据权利要求11所述的音频系统，其中所述控制器还被配置成：

将所述测量信号分离成正交分量；以及

将所述正交分量外推到所述第二收听位置。

13.根据权利要求11所述的音频系统，其中所述测试信号指示预定的声音扫描。

14.根据权利要求11所述的音频系统，其中所述控制器还被配置为向所述至少两个低频换能器中的每一个提供指示音乐信号的音频信号和调整后的声音设置。

15.根据权利要求11所述的音频系统，所述音频系统还包括：

具有微控制器的便携式装置，所述微控制器耦合到所述至少两个传声器并且被配置为提供指示由所述至少两个传声器接收的所述声音的所述测量信号；并且

其中所述至少两个传声器包括：

第一传声器，其设置在轴上并沿第一方向布置以接收传入声音并衰减离轴传入声音，和

第二传声器，其设置在所述轴上并沿与所述第一方向相反的第二方向布置，以接收传入声音并衰减离轴传入声音。

16.根据权利要求15所述的音频系统，其中所述控制器还被配置为处理所述测量信号以通过基于所述第一收听位置和所述第二收听位置之间的距离来移位与在所述第一传声器和所述第二传声器中的每一个处接收到的所述声音相关联的时间延迟来预测在与所述第一收听位置相邻的所述第二收听位置处的所述声音响应。

17.根据权利要求15所述的音频系统，其还包括第三传声器，所述第三传声器设置在所述轴上在所述第一传声器和所述第二传声器之间以从多个方向接收声音。

18.根据权利要求17所述的音频系统，其中所述便携式装置的所述微控制器还被配置为：

基于所述第一和第二传声器接收到的所述声音与所述第三传声器接收到的所述声音之间的差来确定组合声音方向性；以及

基于所述组合声音方向性提供所述测量信号。

19.一种音频系统，所述音频系统包括：

至少两个低频换能器，其中所述至少两个低频换能器中的每一个都适于响应于接收到音频信号而在房间内投射声音；

便携式装置，其包括：

至少三个传声器，其适于在第一收听位置接收声音，和

微控制器，其被配置为响应于用户输入提供校准命令，并提供指示所述至少三个传声器接收到的所述声音的测量信号；和

控制器，所述控制器被配置成：

响应于接收到所述校准命令，向所述至少两个低频换能器中的每一个提供指示预定声音扫描的第一音频信号，

处理所述测量信号以预测在与所述第一收听位置相邻的第二收听位置处的声音响应，

调整与所述至少两个低频换能器中的每一个相关联的声音设置以优化所述第一收听位置和所述第二收听位置处的声音，

接收音乐信号，以及

向所述至少两个低频换能器中的每一个提供指示所述音乐信号的第二音频信号和调整后的声音设置。

20.根据权利要求19所述的音频系统，其中所述至少三个传声器包括：

第一传声器，其设置在轴上并沿第一方向布置以接收传入声音并衰减离轴传入声音，和

第二传声器，其设置在所述轴上并沿与所述第一方向相反的第二方向布置，以接收传入声音并衰减离轴传入声音。

第三传声器，其设置在所述轴上在所述第一传声器和所述第二传声器之间以从多个方向接收声音。

其中所述便携式装置的所述微控制器还被配置为：

基于所述第一和第二传声器接收到的所述声音与所述第三传声器接收到的所述声音之间的差来确定组合声音方向性；以及

基于所述组合声音方向性提供所述测量信号。